云起河某重力壩非溢流壩段設(shè)計計算過程案例目錄TOC\o"1-3"\h\u25885云起河某重力壩非溢流壩段設(shè)計計算過程案例 16331基本設(shè)計資料 141391.1流域狀況 1266091.2樞紐的設(shè)計依據(jù) 219171.3壩址及地形情況 2307061.4水文氣象資料 2118321.4.1洪峰流量 2219241.4.2洪峰單位過程線 374501.4.3壩址處水位流量關(guān)系 3307761.4.4庫水位容積曲線 4210701.4.5其他資料 4168691.5筑壩材料 4309811.5.1當(dāng)?shù)夭牧?59361.5.2外來材料 5201381.5.3交通情況 5317662非溢流壩段設(shè)計 668922.1非溢流壩經(jīng)濟(jì)剖面選擇 645562.1.1非溢流壩剖面初擬 663932.1.2剖面優(yōu)化 7200232.2非溢流壩段穩(wěn)定及邊緣應(yīng)力計算 10254972.2.1非溢流壩段穩(wěn)定及邊緣應(yīng)力手算 109772.2.2非溢流壩段穩(wěn)定及邊緣應(yīng)力電算 141基本設(shè)計資料1.1流域狀況云起河為我國某大河的一條支流，全長約170km，流域面積共3200km2；上游及中游河道曲折，流經(jīng)于山地之間，兩岸高地環(huán)列，下游河道較平順，兩岸以平地為主。本樞紐工程壩址位于云起河中游附近，壩址上游多為山脈丘陵地形，當(dāng)?shù)厝嗣翊蠖鄰氖罗r(nóng)業(yè)生產(chǎn)，上游沒有重要工業(yè)城市；壩址下游則以平原地區(qū)居多；流域附近有一中等城市秀城，該城市主要發(fā)展輕工業(yè)和加工業(yè)；距離壩址90km處有一個重要的工業(yè)城市珞城。修建本水利樞紐工程的主要目的為發(fā)電，同時保護(hù)秀城和珞城免于洪水侵害。1.2樞紐的設(shè)計依據(jù)特征水位正常高水位：345.0m淤積高程：320.0m發(fā)電死水位（最低工作水位）：333.0m最有利工作深度：12.0m水庫上游最高限制水位：350.0m水庫下游防洪標(biāo)準(zhǔn)P＝1%時的安全泄量：3000.0m3/s水電站資料單機(jī)容量：15000kW臺數(shù)：3臺每臺機(jī)組引用流量：30.0m3/s廠房尺寸（機(jī)組三+裝配間）主廠房長：40.0m主廠房寬：11.0m發(fā)電機(jī)主板距屋頂高：18.0m1.3壩址及地形情況壩址基巖為處為震旦紀(jì)砂巖，河谷右岸風(fēng)化侵蝕情況較嚴(yán)重，覆蓋層深約3~4m，且砂巖層內(nèi)部夾雜有頁巖。水層巖巖層為向斜之一翼為傾向上游。壩址處河流湍急，河谷無泥沙卵石等淤積物。巖石與混凝土：f’=1～1.2，c＝0.6~1.0MPa。1.4水文氣象資料1.4.1洪峰流量根據(jù)水文分析，各頻率下的洪水流量列于表1.1。表1.1各頻率下的洪水流量表頻率p%210.20.10.05流量（m3/s）315040506100700079001.4.2洪峰單位過程線依據(jù)觀測資料，推測五天歷時的洪峰單位過程線列于表1.2。表1.2五天歷時的洪峰單位過程線表時段（天）011.062345流量（%）10891005732.51912將洪峰過程資料繪制成單位洪水過程線見圖1.1。圖1.1單位洪水過程線1.4.3壩址處水位流量關(guān)系表1.3壩址處水位流量關(guān)系表水位（m）309310311312313314315316流量（m3/s）14035066011001620218028203500將壩址處水位流量關(guān)系數(shù)據(jù)整理繪制成壩址處水位流量關(guān)系曲線見圖1.2圖1.2壩址處水位流量關(guān)系曲線1.4.4庫水位容積曲線庫水位與對應(yīng)的容積關(guān)系的數(shù)據(jù)見表1.4，整理數(shù)據(jù)繪制成庫水位容積曲線見圖1.3。表1.4庫水位容積曲線表水位（m）315320325330335340345351容積（108m3）0.1580.3420.7621.662.894.637.159.99圖1.3庫水位容積曲線1.4.5其他資料水庫最大吹程：10km。多年平均風(fēng)速：16m/s。1.5筑壩材料1.5.1當(dāng)?shù)夭牧显趬沃废掠?~5km和20km處，有兩處河砂，前者顆粒較粗，后者顆粒較細(xì)；云起河河口處有卵石80萬m3，可作為混凝土骨料。當(dāng)?shù)亟ㄖ牧戏植技皟α恳姳?.5。表1.5當(dāng)?shù)夭牧戏植技皟α勘聿课虎瘼颌螈舨牧鲜仙叭劳琳惩潦衔恢脡沃飞嫌?km右岸壩址上游1km左岸壩址上游1.3km左岸壩址上游3.5km右岸可開采量15萬方8萬方5萬方10萬方1.5.2外來材料壩址下游處的工業(yè)城市珞城修建有大型水泥廠，因此本水利樞紐工程所需水泥供應(yīng)充足。除此之外，珞城還可以承擔(dān)本工程所需鋼筋的供應(yīng)任務(wù)，其他類型的鋼材可從外地運達(dá)。施工現(xiàn)場幾十公里外有一林場，樞紐施工建造所需的木材可由林場提供。1.5.3交通情況受到通航條件限制，云起河上只有小型船只才能通行，但通過公路可直接抵達(dá)干流河口，大型船舶可以由干流通行抵達(dá)珞城，繼而通過珞城的鐵路系統(tǒng)與外部交通相連。

2非溢流壩段設(shè)計2.1非溢流壩經(jīng)濟(jì)剖面選擇2.1.1非溢流壩剖面初擬2.1.1.1壩頂高程確定壩頂高程=max{設(shè)計洪水位+；校核洪水位+}和分別是設(shè)計工況和校核工況下的超高，按式（2.1）計算。 （2.1）式中：——波浪高度，m，按照鶴地水庫公式（2.2）和（2.3）計算；——波浪中心線高出靜水位的高度，m，按式（2.4）計算；——安全超高，查詢規(guī)范可知，2級大壩設(shè)計情況取0.5m，校核情況取0.4m。 （2.2） （2.3）式中：v0——計算風(fēng)速，m/s，設(shè)計情況取24m/s，校核情況取16m/s；D——水庫吹程10000m；Lm——平均波長，m。 （2.4）式中：H——上游面水深，m。綜合上述4個公式，計算設(shè)計情況和校核情況的壩頂高程見表2.1表2.1壩頂高程計算表h1%LmHhzhcΔhh壩頂正常2.4529.5825.001.270.505.22350.22校核1.8819.7229.350.560.402.84352.19取兩種工況下的較大值，最終將壩頂高程設(shè)為352.2m。2.1.1.2壩頂寬度的確定壩頂無交通要求，只需滿足設(shè)備布置和運行要求，初步擬定壩頂寬度為5m。2.1.1.3壩坡的確定上游折坡點高程定為泥沙淤積高程320m，上游坡度一般取n=0~0.3，初步擬定n=0.2。下游坡度一般取m=0.6~0.8，初步擬定m=0.75，基本三角形頂點高程取校核洪水位349.35m。2.1.1.4排水廊道及基礎(chǔ)灌漿廊道位置和尺寸為了滿足防滲要求，壩基需要設(shè)置基礎(chǔ)灌漿廊道，壩身要設(shè)置排水管和排水廊道。查詢《水工設(shè)計手冊第五卷混凝土壩》可知，排水管到上游面的距離要求不小于壩前水深的1/10~1/15，且不小于2.5~2.0m，故設(shè)為3m，廊道上游面至壩軸線的距離為3m，基礎(chǔ)灌漿廊道尺寸定為2.5×3m2（寬×高），頂部圓弧半徑取為1.5m，廊道底部高程306m。排水廊道定在基礎(chǔ)灌漿廊道上方20m處，即326m高程處，尺寸定為1.5×2.5m2（寬×高），頂部圓弧半徑取為1m。綜合以上數(shù)據(jù)，繪制擋水壩段剖面圖2.1。圖2.1擋水壩段初擬圖2.1.2剖面優(yōu)化剖面優(yōu)化是對初步設(shè)計的基本剖面反復(fù)修改，使之在滿足工程要求的情況下更加經(jīng)濟(jì)合理的過程。本設(shè)計使用原水工教研室的剖面優(yōu)化計算程序SAOGD進(jìn)行剖面優(yōu)化。結(jié)合前文的數(shù)據(jù)，編寫SAOGD程序計算所需的原始數(shù)據(jù)如下：352.2,320,0.2,0.75,2.4,0.6,10,03,1,0,12,345,320,314.0,2.45,0,04,346.3,320,314.9,2.45,0,05,349.35,320,317.4,1.88,0,0302,342.7,5,0,0,0.70,1.1,801,1,4,2326,3,1.5,2.5,306,3,2.5,3342.7,3,0,0.25,0,0,0,0,0330,3,0,0.25,0,0,0,0,0320,3,0,0.25,0,0,0,0,0302,10.5,0.2,0.25,0,0,0,0,0第1行的數(shù)據(jù)分別為壩頂高程，上游折坡點，上游坡度，下游坡度，混凝土容重，淤砂容重，計算點間距，淤砂內(nèi)摩擦角。第2行的數(shù)據(jù)分別為計算工況組數(shù)，計算壩段數(shù)，不打印操作，計算經(jīng)濟(jì)剖面操作。第3~5行的數(shù)據(jù)分別為計算工況代碼（2為正常工況，考慮揚(yáng)壓力；4為設(shè)計工況，考慮揚(yáng)壓力；5為校核工況，考慮揚(yáng)壓力），上游水位，泥沙淤積高程，下游水位，波浪高度，地震系數(shù)，鼻坎處單寬流量。第6行的數(shù)據(jù)分別為壩基面高程，下游折坡點高程，壩頂寬度，壩頂其他重量，壩頂其他重量對壩軸線的彎矩，摩擦系數(shù)，接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)，接觸面的抗剪斷凝聚力。第7行的數(shù)據(jù)分別為壩段類型（非溢流壩段），壩段編號，計算截面數(shù)，廊道數(shù)量。第8行的數(shù)據(jù)分別為廊道底板高程，廊道上游面至壩軸線距離，廊道寬度，廊道高度，廊道底板高程，廊道上游面至壩軸線距離，廊道寬度，廊道高度。第9~12行的數(shù)據(jù)分別為計算截面高程，排水中心至上游面距離，排水坡度，滲壓系數(shù)，壩基面上殘余揚(yáng)壓力上游側(cè)到上游壩面的距離，壩基面上殘余揚(yáng)壓力上游側(cè)連線的坡度，壩基面上殘余揚(yáng)壓力系數(shù)，壩基面上殘余揚(yáng)壓力下游側(cè)到上游壩面的距離，壩基面上殘余揚(yáng)壓力下游側(cè)連線的坡度。運行SAOGD程序，輸出35個方案，查詢壩基面抗滑穩(wěn)定容許系數(shù)可知，按抗剪斷強(qiáng)度公式計算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K’在基本荷載組合情況下應(yīng)不小于2.0，在特殊荷載組合情況下應(yīng)不小于2.5。同時，壩基面的垂直正應(yīng)力應(yīng)大于0，篩選出滿足這兩個條件的為有效方案，再從這些方案中選擇一個體積接近最小且壩基面垂直正應(yīng)力稍大的方案，最終確定經(jīng)濟(jì)剖面采用方案20：NPROF=20ZU=320.00ZX=342.70N=.25M=.750VOL=902.35ICASE=2ZSEC=302.00SY=17.20S2U=12.76S1D=97.95KSH=5.0454ICASE=4ZSEC=302.00SY=11.77S2U=9.88S1D=104.42KSH=4.7944ICASE=5ZSEC=302.00SY=1.64S2U=1.46S1D=115.13KSH=4.3766剖面尺寸數(shù)據(jù)見表2.2，穩(wěn)定應(yīng)力計算成果見表2.3。表2.2經(jīng)濟(jì)剖面尺寸壩頂高程（m）上游壩坡下游壩坡下游折坡點高程（m）上游折坡點高程（m）壩頂寬度（m）352.20.250.75342.73205表2.3經(jīng)濟(jì)剖面穩(wěn)定應(yīng)力計算成果計算工況垂直正應(yīng)力上游第二主應(yīng)力下游第一主應(yīng)力抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K’正常高水位0.1720.12760.97955.0454設(shè)計洪水位0.11770.09881.04424.7944校核洪水位0.01640.01461.15134.3766根據(jù)經(jīng)濟(jì)剖面的數(shù)據(jù)重新繪制擋水壩段剖面圖，見圖2.2。圖2.2擋水壩段經(jīng)濟(jì)剖面圖2.2非溢流壩段穩(wěn)定及邊緣應(yīng)力計算2.2.1非溢流壩段穩(wěn)定及邊緣應(yīng)力手算2.2.1.1穩(wěn)定計算穩(wěn)定分析是為了驗算重力壩在利用抗剪斷強(qiáng)度公式（2.5）計算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K’： （2.5）式中：——壩基面抗剪斷摩擦系數(shù)，取1.2；——壩基面垂直方向總荷載，kN/m；——壩基面水平方向總荷載，kN/m；U——壩基面揚(yáng)壓力，kN/m；——壩基面抗剪斷凝聚力，取0.7MPa；A——壩基面面積，m2。作用在重力壩上的荷載主要有：壩體自重，上下游壩面上的水壓力，浪壓力，泥沙壓力，揚(yáng)壓力等，沿壩軸線方向截取1m長壩段進(jìn)行穩(wěn)定分析和邊緣應(yīng)力計算，計算工況定為設(shè)計洪水位加考慮揚(yáng)壓力。荷載計算簡圖見圖2.3，荷載計算成果見表2.4。圖2.3荷載計算簡圖2.2.1.2邊緣應(yīng)力計算為了滿足在施工和運行時的強(qiáng)度和穩(wěn)定要求，重力壩在設(shè)計時需要滿足規(guī)定的應(yīng)力條件：在基本荷載組合情況下，重力壩壩基面的最小垂直正應(yīng)力應(yīng)大于零，最大垂直正應(yīng)力應(yīng)小于壩基允許壓應(yīng)力，壩體下游面最大主壓應(yīng)力不大于混凝土的允許壓應(yīng)力值，上游面最小主壓應(yīng)力應(yīng)大于零。為了確定重力壩是否滿足上述要求，通常要進(jìn)行應(yīng)力分析，材料力學(xué)法是計算重力壩應(yīng)力的基本方法，沿壩軸線切取1m寬壩體作為固接于地基上的變截面懸臂梁，作為平面問題計算，應(yīng)力計算簡圖見圖2.4。表2.4荷載計算成果荷載種類公式荷載大?。╧N）穩(wěn)定系數(shù)壩體自重972602414908.41水重396.91160.7611.56水壓力9624.89815.41淤砂壓力972243浪壓力342.06揚(yáng)壓力5056.8808.281212.421135.44圖2.4應(yīng)力計算簡圖應(yīng)用材料力學(xué)偏心受壓公式計算邊緣垂直正應(yīng)力： （2.6） （2.7）式中：——壩基面所有荷載對形心力矩和和，kN·m；——壩基面縱向?qū)挾?，m。上、下游面剪應(yīng)力： （2.8） （2.9）式中：、——壩基面上、下游邊緣處水壓力強(qiáng)度（包括泥沙壓力）；、——壩基面上、下游邊緣處揚(yáng)壓力強(qiáng)度；——上游壩坡；——下游壩坡。上、下游面水平正應(yīng)力： （2.10） （2.11）上游面主應(yīng)力： （2.12） （2.13）下游面主應(yīng)力： （2.14） （2.15）計算成果見表2.5。表2.5應(yīng)力手算成果（MPa）垂直正應(yīng)力剪應(yīng)力水平正應(yīng)力第一主應(yīng)力第二主應(yīng)力0.148-0.0080.110.2090.1080.6570.4930.372.01202.2.1.3分析查壩基面抗滑穩(wěn)定容許安全系數(shù)表2.6可知，本壩體在設(shè)計工況下按抗剪斷強(qiáng)度公式計算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K’=4.28>3，滿足抗滑穩(wěn)定安全要求。表2.6壩基面抗滑穩(wěn)定容許安全系數(shù)荷載組合K’基本組合2.0特殊組合（1）2.5特殊組合（2）2.3壩基面的最小垂直正應(yīng)力=0.148MPa>0，下游面最大主壓應(yīng)力=2.012MPa，小于混凝土的允許壓應(yīng)力值5MPa，故該設(shè)計滿足所需應(yīng)力要求。2.2.2非溢流壩段穩(wěn)定及邊緣應(yīng)力電算利用剖面優(yōu)化得到的經(jīng)濟(jì)剖面的數(shù)據(jù)修改SAOGD程序的原始數(shù)據(jù)為：352.2,320,0.25,0.75,2.4,0.6,10,03,1,0,02,345,320,314.0,2.45,0,04,346.3,320,314.9,2.45,0,05,349.35,320,317.4,1.88,0,0302,342.7,5,0,0,0.70,1.1,801,1,4,2326,3,1.5,2.5,306,3,2.5,3342.7,3,0,0.25,0,0,0,0,0330